高功率脉冲光纤激光器及其泵浦的光参量振荡器的研究（可编辑）

高功率脉冲光纤激光器及其泵浦的光参量振荡器的研究（可编辑） 高功率脉冲光纤激光器及其泵浦的光参量振荡器的研 究 浙江大学光电信息工程学系 博士学位论文 高功率脉冲光纤激光器及其泵浦的光参量振荡器研究 姓名:姜培培 申请学位级别:博士 专业:光学工程 指导教师:沈永行 20090425摘要 摘要 高功率脉冲光纤激光器具有高光束质量、高转换效率、高脉冲能量、较低热 效应等特点受到人们的广泛关注,最近几年来成为了国际科技界的研究热 点。使 用高功率脉冲光纤激光器作为泵源,泵浦基于晶体的光参量振荡器, 可以产生高功率中红外激光输出,在光电对抗、红外干扰以及激光雷达等方 面具 有重要应用。本论文主要目的是研究高功率的脉冲光纤激光器,获得几十级 的高功率脉冲激光输出,并以此作为泵源,泵浦晶体,获得高功率的中 红外激光输出。本论文主要包括三个方面的内容,声光调光纤激光器研究、 型脉冲光纤放大器研究以及光纤激光器泵浦的基于晶体的光参量振荡器 。 研究。 声光调光纤激光器采用法布里一珀罗谐振腔结构,以大直径双包层掺镱光 纤作为增益介质,获得了稳定的高功率脉冲波形输出。系统地考虑了影响脉 冲波 形稳定性的因素,包括声光调开关与反射镜之间的距离、光纤长度、 分 泵浦功率以及重复频率等。使用自制光纤和公司的熊猫型保偏光纤,别研制了随机偏振和线偏振光纤激光器,获得了脉冲激光输出功率分别为和 .,激光输出脉冲稳定,脉宽分别为和。 分别采用固体激光器和全光纤型声光调光纤激光器作为种子源,研制了 结构的高功率脉冲光纤激光器。固体激光器的光谱线宽较窄,在光纤放大器 运行过程中极易产生等非线性效应。调整种子激光的功率和重复频率,可以 有效抑制非线性效应,提高光纤放大器输出功率,最终在泵浦功率达到.时, 获得线偏振输出功率,偏振抑制比大于。全光纤型声光调光纤激光器 结构紧凑、功率较高,而且具有较大的光谱宽度,可增加等非线性效应的阈 值,减少非线性效应的影响。使用这种种子源的光纤放大器可以产生更高的 输出 。 功率,在泵浦功率下,最终获得.线偏振激光输出,偏振抑制比大于 以型光纤激光器作为泵源,以晶体为非线性材料,运行光参量 振荡器,获得了高功率中红外激光输出。首先,利用电光调固体激光器的高脉 冲能量,研究了厚度晶体的抗光损伤特性,得到其损伤阈值约为 ./,即/。其次以固体激光器作为种子源的光纤放大器泵浦, 在泵浦功率为.时,通道获得最高参量输出,对应的闲散浙江人学博学位论文 光功率为.,相应的斜效率约为%,光光转换效率为%。在泵浦功率增长的 过程中,并没有发现功率饱和现象。再次,用全光纤结构的光纤放大器泵浦, .,其中闲散光 在泵浦功率为.时, 通道得到最大参量输出 功率为.,光光转换效率为.%,其运行过程中出现一定的功率饱和现象。 分析认为,闲散光吸收引起的热透镜效应是引起功率饱和现象的主要原因。 腔镜 结构、泵浦光光斑大小以及散热系统的设计,对谐振腔内的热透镜效应有明 显的 影响。 关键词:光纤激光器/放大器、声光调、、、光参量振荡器 人, , , .,。 曲 , , . , . ? :? . ? . ? ?? , ? . , . ? , . . ; . ? , . ... . ? ; , 彤. . . . . ? 浙江人学博:学化论文. ? ? : .? .. /. .. . %%. .. . . . .%..., , . : / ,,, 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究 成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发 或撰 写过的研究成果,也不包含为获得逝姿盘堂或其他教育机构的学位或证书而 使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的 说明并表示谢意。 学位做作者躲墨兹袁签字吼叫年占月;日 学位论文版权使用授权书 有权保留并向国家有关部门或机构送 本学位论文作者完全了解逝婆盘堂 允许论文被查阅和借阅。本人授权逝婆盘鲎可以交本论文的复印件和磁盘, 将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播,可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后适用本授权书 导师签名: 学位论文作者签名:墨兹镌 签字期: 签字日期:为口年月专日 多日致谢 致谢 在本论文顺利完成之际,向多年来一直给予我极大关怀和帮助的导师沈永行 教授表示最真诚的感谢。导师渊博的知识、敏锐的科学洞察力、严谨的科研作风、 忘我的工作精神以及对科研孜孜不断的追求精神使我受益非浅,是我今后从事工 作的榜样。导师提供了一流的科研工作平台以及与国内外同行交流的机会,使我 在学术研究方面有了更高的起点和更广阔的视野,为我今后的学术研究之路 打下 了坚实的基础。 同时,特别感谢课题组孔剑副教授及吴波博士后在交流中给的建议,本论文 实验工作的顺利进行与他们无私的帮助密不可分。 硕 感谢课题组的博士生杨丁中、汪园香、徐海斌、傅志辉、沈剑威、叶雯, 士生苏立钦及张振洲,本科生陈涛等,在众人的共同努力营造了一个良好的学习 科研环境,使我不断地感受到生活的充实和愉悦。 感谢夫人蔡双双博士一直陪伴左右,在学业上帮助鼓励、在生活上照顾包容, 生活只因有你才变得更加绚丽多彩 感谢父母养育之恩,感谢他们对我一贯的支持、理解、鞭策、鼓励和帮助, 他们崇尚知识的理念和热爱生活的态度对我影响至深,并将继续鼓励、鞭策着我 不断前进。 最后,感谢各位业内资深专家对本论文的评审,谢谢你们的斧正。 姜培培 年月于求是园第一章绪论 第一章绪论 高功率脉冲激光器可以产生高能量、窄脉冲激光,在非线性光学、材料制备、 光信息处理、医疗应用、激光雷达等众多科研和工业领域有广泛的应用。经过几 十年的发展,高功率、高亮度、高效率的传统固体激光器取得了极大的进步,能 够满足各种应用的需要。但是,因为固体激光器在高功率运行时,容易产生大量 热能导致出现热透镜现象,很难获得高光束质量的激光输出。另外,高功率固体 激光器体积庞大,不易集成化,对工作环境要求较高。薄片激光器是产生高功率 冲激光的另一种选择。由于结构上的特点,薄片激光器可以很好的解决热脉 效应 问题,同时与传统固体激光器在设计上具有类似性。但是,薄片激光器需要在自 由空间添加很多光学元件,使得其系统复杂化。相对于固体和薄片激光器,光纤 激光器拥有很多优点。首先,稀土掺杂的玻璃光纤激光器比晶体材料作为基底的 固体激光器具有更高的效率;其次,玻璃基底的光谱增益范围比晶体中宽,使得 激光器更能适应宽带、可调谐应用;再次,光纤激光器在高功率泵浦下,散热更 加方便,基本没有热透镜效应;最后,光纤激光器输出激光的光束质量可以由光 纤结构决定,更加容易得到高光束质量激光输出。所以,高功率、高效率、高光 束质量、可调谐、结构紧凑的脉冲光纤激光器获得了越来越多研究小组的关注, 成为了新的研究热点。 高功率脉冲光纤激光器在科研领域中一个重要的应用,是作为非线性光学研 究的优质泵源。非线性光学是随着激光技术的出现而发展起来的一门新兴学 科, 主要研究光与物质相互作用过程中出现的一系列现象,探索光与物质相互作用的 本质和规律。经过四十余年的发展,非线性光学作为一门崭新的科学分支得到了 飞速发展。其中,二阶非线性光学效应包括二次谐波产生、和频、差频、双光子 吸收、光参量振荡等非线性光学频率变换技术的研究是非线性光学主要 领域之一。基于非线性光学频率变换技术,常规激光器的波长范围得到了极大扩 展,几乎覆盖了从紫外、可见到红外的整个光学波段,同时也延伸到了毫米波和 射线波段。在非线性光学频率变换技术的研究过程中,要想获得较高的非线性 转换效率,优质的泵浦源是非常重要的因素。使用高功率脉冲光纤激光器作为泵 浦源,非线性光频变换技术得到了更快速的发展。浙:人学博学化论义 .脉冲型光纤激光器发展概况与应用 ..光纤激光器发展历程 【和 上个世纪年代,第一台稀土掺杂光纤激光器由. .. 】研制完成。他们采用灯泵的方法,分别于 年和 年报道 了掺多组分玻璃光纤中的光放大结果。不久之后,光纤激光器被用于光学信 息处理方面的工作。年,..和..首先讨论了利用光纤作为 通信介质的可能性,提出了控制光纤损耗的技术途径】。同一年, 考虑 了使用半导体激光器作为泵浦源的可能性【】。由于高质量泵浦源的缺乏,在此 之后光纤激光器的发展一直停滞不前。但是许多发展光纤激光器所必须的渐 渐趋于成熟,低损耗的硅基光纤和半导体激光器已经商品化并且得到了广泛的应 用,同时基于硅基光纤的定向耦合器的制作工艺日渐完善。特别是高功率半导体 激光器的出现,为光纤激光器的泵浦源提供了解决。 的 年,英国南安普顿大学的..等人报道了工作波长为. 光纤激光器【】。他们采用分子化学气相沉积法制作掺单模光纤,利 用单模半导体激光器作为泵浦源,获得了输出工作波长位于低损耗通信波段的光 纤激光器。这一研究成果的发表,使得光纤激光器再次成为人们的研究热点。此 后该校电子工程系和物理系的研究小组先后报道了光纤激光器的调、锁模、单 纵模输出和光纤放大器方面的研究工作。另外,德国汉堡的技术大学】,【】, 】,日本的三菱】,美国的 】,斯坦福大学【】 和】等研究机构也在这个研究领域做出了相应的贡献。 单模半导体激光器的输出功率极小,而高功率半导体激光器一般为多模激光 输出,无法直接耦合进单模增益光纤纤芯内,单模光纤激光器的输出功率一直没 有得到发展。年,.再次首先提出了双包层光纤技术,通过将多模 泵浦光耦合进尺寸较大的内包层,泵浦激光在内包层内传输时会通过纤芯, 从而 使纤芯吸收泵浦激光,获得高功率激光输出【 】。双包层光纤技术的提出, 使得 高功率光纤激光器得到了快速发展,光纤激光器的输出功率越来越高。 等人 年,..等人获得了输出功率】,年,. 】, 获得了输出功率【 】,同年,.等人获得了输出功率 年,.等人获得了 输出功率】,年,.等人获得了高 第一章绪论 达.激光功率输出【 】。在以上高功率的光纤激光器研究中,基本都是采用 掺的光纤作为增益介质,工作波长位于“左右,同时是连续激光输出。现 在,高效率、长寿命、小体积、上千瓦功率输出的连续光纤激光器技术已经 基本 成熟,商品化生产也已经实现。 ..脉冲型光纤激光器国内外研究现状 在连续型光纤激光器发展的同时,短脉冲高功率双包层掺光纤激光器也 取得了飞速发展。在过去几年里,许多研究小组报道了级调掺光纤激光 器。年,..等人报道的光纤激光器获得了单脉冲能量.,脉冲 宽度的多模激光输出】。利用大直径双包层光纤,.等人在 】。 年报道了接近基模输出的光纤激光器,单脉冲能量为.,脉冲宽度【 脉冲光纤激光器的性能参数已经达到了传统的调固体激光器的水平,完全胜 任 工业应用中的生产要求。 使用啁啾脉冲放大技术,在大直径光纤中可以获得级超短脉冲激 光输出。啁啾脉冲放大技术的主要作用是抑制光纤中的非线性光学现象。在 级种子脉冲激光进入增益光纤之前,先把脉冲展宽,可以有效提高非线性现象的 ,经过光纤放大之后,再将脉冲压缩到原来的级别。利用这一技术, 阈值 年.等人利用芯径为”的大直径掺光纤产生了单脉冲能量 .、脉冲宽度的激光输出【】。年,. 等人利用芯径 的光纤获得单脉冲能量、脉冲宽度为 的单模激光输出【】。 与此同时,使用大直径光纤的单模级主级振荡光纤放大器也取得 了较大发展。年,..等人使用值为.左右的大直径多模光 纤,通过将光纤绕成直径为.的圆圈,抑制高阶模增益,最终获得单模激 】。稍后,.等人 光输出,单脉冲能量为“,脉冲宽度为. 报道了掺高能量级脉冲光纤放大器【】。在重复频率,输出脉冲宽 度为时,获得最高平均功率约,单脉冲能量。在重复频率、 输出脉冲宽度为时,获得最高平均功率为,单脉冲能量为。由于在 许多应用领域中需要使用线偏振激光,基于保偏光纤的光纤激光器也获得了很大 发展。年,.. 等人报道了线偏振脉冲光纤激光器,使用结构 在大直径保偏光纤中获得了单脉冲能量“、脉冲宽度.的线偏振激光输 出】。年,.等人获得了 的线偏振单模激光输出,并利用倍频 浙江人学博:学位论义 晶体获得了的绿光输出】。年,公司的.等人报道 了金光纤型输出的单模线偏振激光器】,这是第一次报道金光纤型的高功 率线偏振光纤激光器。 从上个世界年代末和年代初开始,国内也开始开展光纤激光器领域的 研究工作,并取得了一些阶段性成果。清华大学、南开大学、中国科技大学、上 海光机所、西安光机所等科研单位在各自的研究领域都取得了一定的进展。最初 阶段,国内研究的热点集中在高功率连续型光纤激光器。年,南开大学在国 内率先展开了这方面的基础研究工作。通过与中国电子科技集团第研究所的 合作,制作出了国内第一根大直径、大数值孔径双包层光纤,并成功运用于激光 半导体激光器泵浦米 器研制中。年,中科院上海光机所利用波长 长的型双包层光纤,获得了.的激光输出。在以后的几年里,双包层光纤 激光器的输出功率越来越高,在年月,上海光机所采用由烽火科技提供 的新型大模场直径双包层光纤,单根光纤获得了的激光输出,斜率效率为 %。 在连续型光纤激光器获得级输出功率的同时,脉冲型光纤激光器的研究 工作也取得了不错的成绩。利用固体激光器作为种子源,清华大学的巩马理小组 在年报道了型线偏振脉冲光纤激光器,获得了的线偏振脉冲激光 【】,并对光纤激光器工作过程中的非线性光学现象进行了详细分析】。采用 ‘ ? 国内生产的双包层光纤,上海光机所的楼祺洪小组在年报道的声光调光 纤激光器,获得了单脉冲能量 ,脉冲宽度为的稳定激光输出【】。这 些相关报道说明了国内脉冲光纤激光器的研究已经达到了较高水平。 本课题小组从年开始光纤激光器及其相关器件的研究工作,主要工作 内容包括光纤光栅的制作、单频光纤激光器、声光调光纤激光器以及高功率线 偏振型脉冲光纤放大器。通过大家的共同努力,在各个研究方向上已经取 得了不少可喜的成绩。 ..脉冲型光纤激光器的应用前景 脉冲型光纤激光器具有接近衍射极限的光束质量、高转换效率、高稳定性、 小体积等优点,在工业加工、医疗、通信以及非线性光学等领域得到了广泛的应 用。 在工业加工方面,光纤激光器适用于激光雕刻、微加工、激光焊接和材料切 第一章绪论 割等各种应用领域。传统的固体激光器的转换效率比较低,在高功率工作过程当 中,有很大一部分能量转换为热能,容易产生热透镜效应,使得光束质量无法提 高。另外,固体激光器对于震动比较敏感,容易因为光学元件的移动引起系统性 能的不稳定,需要较高的维护费用。光纤激光器本身的光纤化优点决定了激光器 本身对震动不敏感,而且不需要对系统进行复杂调节,适合于在各种生产条件下 稳定运行。另外,光纤激光器具有稳定的功率输出和较好的光束质量,在微加 工 领域具有明显的优势。 高功率光纤激光器具有很高的光束质量和定位精度,通过对激光电源的调制 可以对产品表面进行扫描打标。典型调固体激光器在打标过程当中,容易产生 非一致性的打标深度和宽度。特别是在半导体膜层上面的打标,不稳定的打标功 率可能会使得产品变形,危害产品的性能和寿命。利用光纤激光器产生的高稳定 脉冲,可以有效解决上述问题。 在激光医疗方面,功率达到几瓦的光纤激光器可以在显微外科手术当中扮演 重要角色。光纤结构的设计,使得激光输出端在手术中可以灵活使用。在医疗应 用过程中,根据不同医疗要求,需要不同波长的激光。人体组织对于 波长 的激光具有较强吸收,所以该波段的光纤激光器适用于纤维外科手术。在治疗皮 肤疾病和去痣等方面,可见光波长的激光会更加适合。目前获得不同波长的激光 输出主要有以下几个手段:在光纤中掺杂不同的稀土离子、利用光纤中的非线性 效应或采用非线性激光晶体倍频等等。 在光通讯方面,随着信息社会的进一步发展,系统的传输速率达到了 /。传统的单模光纤激光器输出功率只有级别,远远满足不了日益增 长的通讯要求。高功率光纤激光器输出功率可以达到量级,在光纤通讯领域起 到了相当重要的作用。 波长的光纤激光器可以作为掺光纤放大器 的泵源。拉曼光纤放大器可以工作于光通信窗口的任意波长,利用高功率的光纤 激光器作为拉曼光纤放大器的泵源,对光信号进行放大,可以有效满足光通信传 输的需求。 在非线性光学频率转换研究领域,泵源的光束质量以及非线性晶体的性能参 数是影响非线性转换效率的主要因素。传统的固体激光器在高功率工作时,由于 热透镜效应,输出的激光光束质量不易控制,使得非线性转换效率低下。高功率 光纤激光器不需要对热现象进行特别处理,良好的散热特性和光纤本身特性使得浙江人学博学位论文 在高功率工作情况下,能够获得较好光束质量的激光,可以作为非线性光学研究 领域的优质泵源。 .基于准相位匹配技术的光参量振荡器发展概况 ..准相位匹配技术简介 在非线性光学频率转换过程中,提高系统的非线性光光转换效率是需要考虑 的指标之一。要获得较高的非线性转换效率,除了要求非线性晶体有尽可能大的 非线性系数之外,还必须满足相位匹配条件。人们常使用的方法是双折射相位匹 配技术,利用单轴或双轴非线性晶体的双折射特性和色散特性,通过选择光波的 波矢方向和偏振方向来实现。双折射相位匹配技术依赖于非线性材料的特性和光 波的波矢和偏振方向,使得在特定的晶体材料上只能实现固定方向、固定波长的 大大限制了非线性光学频率转换技术的发展。 相位匹配, 年,..和诺贝尔物理学奖得主.等人提出了 准相位匹配理论, 。他们采用半经典理论,系 统地研究非线性光学相互作用,从理论上提出了利用非线性极化率的周期跃变来 提高非线性光学频率转换效率的可能性。几乎同时,..与..也 从理论上研究了光的谐波产生的非线性光学过程,独立提出了相位匹配和准相位 匹配理论的基本思想】。准相位匹配技术的主要思想是,在二次谐波的产生过 程中,如果采用某种手段使得失谐的相位发生度的突变,可以有效补偿不同 相位间的相位失配,使光的能量持续地从基频光往信号光转换,提高非线性光学 转换效率。 然而由于当时加工制作工艺的限制,在很长一段时间里都无法制造出满足准 相位匹配条件的晶体,使得准相位匹配技术仅仅停留在理论阶段,没有得到实际 的应用。上个世纪末,周期性极化制作工艺得到了快速的发展,特别是外加电场 极化法的发展使得满足准相位匹配条件的晶体开始走上光学平台,为非线性光学 频率变换领域的发展,提供了新的研究动力。 相比传统的相位匹配技术,准相位匹配技术具有很多优点】。首先, 技术不需要利用晶体的双折射效应,突破了材料内在特性的限制,利用晶体的周 期性极化结构来获得有效的能量转换,对任意晶体透光区内的任意波长的光波都 可以实现准相位匹配。其次,技术没有双折射特性的限制,可以任意选择三 第一幸绪论 种光波的偏振方向。为了使走离角为零,消除走离效应,可以使它们沿晶体的同 一晶轴方向传输。走离效应的消除,可以有效降低对入射角的要求,使得基波和 谐波等相互作用的光束能够严格限制在非线性晶体中,这样就可以使用较长的晶 体,获得较大的转换效率。再次,过程降低了对入射光束的要求,不再需要 正交光束,能够利用传统双折射相位匹配过程所达不到的高非线性系数,使得非 线性转换效率大大提高。最后,合理选择适当的极化周期,技术可以在任意 工作点实现非临界相位匹配。非临界相位匹配不但有效降低了对基波光束发散角 和晶体调整角的要求,而且可以实现较高的转换效率。 ..准相位匹配技术的发展与实现 准相位匹配技术可以极大地提高非线性光学转换效率,并且可以使那些在通 常条件下无法实现相位匹配的晶体和通光波段得以实现频率转换。因此自从准相 位匹配理论提出之后,人们一直在寻求各种方法来研制满足准相位匹配理论 的晶 体材料。比较典型的方法包括薄片粘接法、化学扩散法、电子扫描法、晶体生长 法和高压电场极化法等等。 通过将不同极化方向的晶体粘接起来,实现 最早人们采用的是薄片粘接法, 】及 周期性极化反转,使晶体满足准相位匹配条件。 年,.. .等人分别将、、,、石英晶体等晶体材料制作成薄片, 然后按照自发极化方向交替变化的方式粘接起来,实现了倍频输出。这种方法不 但工艺繁琐,重复性差,而且因为晶体薄片的厚度远大于相干长度,只能利用高 阶准相位匹配,导致非线性转换效率依然很低。第二种方法是化学扩散法,在制 作晶体的过程当中,通过不同化学材料的扩散作用来完成质子交换,从而改变晶 体的极化方向,实现周期性极化反转。年,日本的.】在制作 钛扩散光波导的过程中发现了高温钛扩散可以使晶体中的铁电畴方向发生反转 的现象。这一发现后来被. 等人【】用来制作扩散准相位匹配倍 频器件。这种方法可以制作出质量较好的周期结构,而且制备的介质都很长,但 是扩散层很浅,为微米量级,只能制备波导型准相位匹配介质,不宜制作大尺寸 的准相位匹配晶体。第三种方法是电子束扫描法,使用电子束扫描使得晶体 的畴 极化发生反转。年,. 等人】利用电子束扫描法成功制作出周期性 极化反转的,晶体,并利用该晶体实现了倍频输出。这种方法重复率很低, 并且很难制作出光栅均匀的畴反转结构,其制备过程不宜进行大批量生产。第四浙江大学博学位论文 种方法是生长法,在晶体的生长过程中,控制温度的起伏等因素来实现畴极化反 转。这种方法的制作只是在 ,、,和,等晶体中取得了成功。从 年开始,南京大学闵乃本院士领导的科研小组就开始了这方面的研究工作。他们 在 提拉法生长晶体的过程中,控制晶体生长时的温度涨落,实现了 光学超晶格晶体的周期性畴极化反转。生产出的周期性畴极化反转晶体主要包括 ,和 ,两种。用这种方法制备出来的晶体,通光面积大,可以 大量生产,但是,生长条件要求复杂,并且制备的准相位匹配介质周期不准,畴 边界不均匀,使得非线性转换效率很低。上面介绍的几种方法,都可以制作出周 期性极化的晶体材料。但是这些方法都有不同的缺点,使得制作出来的晶体材料 性能不够完善,准相位匹配技术的发展一度停滞不前。 最早提出使用高压电场极化法的是..等人】,他们在 年首 次提出了使用周期极化电场来调制非线性极化率、最终实现周期性极化反转的方 法。这一技术在发展初期并没有引起人们过多的关注,技术上的难点使其发 展遇 到了障碍。年,.等人【首次利用半导体光刻工艺与外加电场法 相结合的方法,有效地减少了边缘效应,成功地在铌酸锂晶体中制备出了周 期性 高压电场极化法高速发展起来。上个世纪年代 畴极化反转结构。在此之后, 中期,周期极化晶体的制作取得了突破性进展,..等人在室温下对样品 进行了外电场极化,实现了铁电畴反转。斯坦福大学..教授领导的研 究小组,从年开始这一方面的研究工作,在研究周期性畴极化反转铌酸锂 ,,器件中发挥了重要作用。通过他们的研究, 进一步完善了该项技术,使得准相位匹配技术获得了进一步的发展。年, .研制成功了厚的和,同一年,. 研制成功 了厚的【】。这些大尺寸晶体的制作成功,推动了周期极化晶体的应 用。 铌酸锂晶体具有很多优点,如较宽的透光范围.、较大的非线性系 数西,/、相对低廉的价格、成熟的制备工艺等,在所有可实现周期性畴 极化反转的晶体中被研究得最为广泛。目前的生产技术已经从传统的实验 室专用技术向商业生产发展,的加工工业已经形成。目前,我国台湾的 公司、美国的公司,加拿大的公司等都已经有晶体 成品出售。 第‘章绪论 研究表明在铌酸锂晶体中掺入适量的不但可以极大地降低晶体矫顽场, 还可以大幅提高材料的抗光损伤阈值。年,日本的.等人发现铌酸 锂晶体中掺杂%可以使晶体在常温下的矫顽场降为无掺杂时的/. /,更易实现铁电畴极化反转【。他们首次成功制备出? 晶体。采用液体电极, 年,.等人成功地制备出了长度大于、畴周期大小为、厚度为.、占空比接近: 的晶体】。. 小组在晶 体的制备方面始终处于世界领先水平。年,他们系统地研究了掺% 铌酸锂晶体在不同温度下的矫顽场大小,并采用油浴加热的方法控制反转畴的横 成功地制备出厚度均匀畴极化反转的晶体【】【】。 向膨胀速度, 年,该研究小组又成功研制出了厚的晶体【】,代表了当今世 界最高水平。 从上个世纪八十年代开始,我国科学家也开始研究周期极化晶体的制作。南 京大学闵乃本院士领导的研究小组,最早使用 提拉法制备超晶格晶 体,研制出周期性畴极化反转的铌酸锂晶体和钽酸锂晶体。从年开始,天 津大学姚建铨院士领导的研究小组开始研究制备晶体,并进行了倍频实验, 取得了一定进展,目前正在进一步深入研究周期性畴极化反转的晶体【。 南开大学主要的研究方向包括近化学计量比铌酸锂晶体、掺杂铌酸锂晶体以及材 料的周期性畴极化反转等【】】】。另外,上海交通大学、山东大学、电子 科技大学、上海理工大学等单位也在开展相关领域的研究工作。 本课题小组从年开始研究周期性畴极化反转铌酸锂晶体的 制备工艺。目前.厚和厚晶体的制备工艺已经基本成熟,在不 远的将来有望实现商品化。厚的晶体的制备工艺还在完善阶段,铁电 畴反转周期尚不够均匀,还需要继续加强研究工作。 ..基于准相位匹配技术的光参量振荡器国内外研究现状 光参量振荡器的发展受限于非线性晶体材料,早期生产的非线性晶体或是非 线性系数小,或是物化性能不稳定,损伤阈值低,使得光参量振荡器的发展停滞 【 】和.. 了很长一段时间。光参量振荡器的理论最早是由.. 】等人于年提出。最早在实验上实现光参量输出的是美国贝尔实验 室的.. 和.. 【】。年,他们利用调的多模: 学位论文 浙江人学博.: 激光作为泵源, ,晶体作为非线性晶体,通过改变晶体温度调谐输出参量光 波长,获得了调谐范围为.. 的参量光输出。同一年,.. 等人演示了光参量振荡器,.等人演示了光参量振荡器【】。 年,.. 】和..【】等人研制的光参量振荡器实现了连 续参量光输出。 年以前,科学家们探索了各种实现光参量振荡器的方法,泵 浦源基本采用固体激光器,试用了、、,等晶体,调谐手段包括温度、 角度及电光调谐等。但是受到当时条件的限制,光参量振荡器的发展没有取得很 大进步。 年代以后,随着晶体生长技术的进步,出现了、、等性能优良 的非线性晶体,光参量振荡器的发展重新走上了轨道,技术成熟的可见和近、中 红外光参量振荡器产品陆续推出了市场。年代中后期,随着透光范围更宽、可 匹配波长更长的、:、:、:等非线性晶体的发展,光参量振 荡器的调谐范围进一步向中远红外波段扩展。年代以来,随着高压电场极化技 术的成熟,制作周期极化的非线性晶体成为可能。一批以、、、 等为代表的周期性畴极化反转晶体开始成为主流的非线性材料,光参量振 荡器的发展迎来了更为广阔的发展前景。 年,..等人采用晶体】,以连续型:激光 器为泵源,实现了光参量振荡。实验中首次采用了单谐振腔振荡结构,使用畴 周 实现了信号光波长在.?.、闲散光波长在 期变化与温度调谐方式, .. 范围内的调谐。稍后不久,他们又采用两种不同的单共振环形腔结 构,获得了量子效率%、输出功率.的.波段红外闲散光输出】。 年,..等人采用环形腔结构,以:激光器泵浦扇型结构的 晶体..,获得.波段可调谐输出,调谐范围达到了, 利用输出的可调谐激光成功检测了环境中:气体的含量】。 利用其他技术手段,人们还获得了以上的红外光参量输出。年,. 等人利用锁模激光器同步泵浦晶体,在强闲散光吸收情况下,获得 了.的参量光输出】。年,.等人利用同样的技术手 段,获得了.波长的参量光输出【】。年,通过:晶体差频 光参量振荡器输出的信号光与闲散光,.等人将波长调谐范围进一步延 伸到了..】。在一般技术条件下,由于材料在以上的波段吸收很 第一章绪论 强,光参量振荡器的调谐波长是做不到这一波段的。 晶体具有更高的抗损伤阈值,在高功率光参量振荡中使用比较广泛。。 年,日本的.等人通过采用特殊的谐振腔设计和散热控制手段, 在高功率输出的情况下使:泵浦激光器保持较高的光束质量。同时使用 晶体材料,在信号光波长为.,闲散光波长为.波段获得了平均 功率大于、非线性转换效率高达%的输出【。据我们所知,这代表了当 前该波段光参量振荡器的最大输出功率。 从开始研究光参量振荡器开始,人们尝试了各种各样的泵浦源,遍及固体、 气体、染料、准分子和半导体激光器。研究发现,高光束质量的泵浦源可以 使得 的转换效率明显获得提高,人们开始使用光纤激光器作为新的泵浦源。 ,英国南安普敦大学的..等人最早使用光纤激光器作为泵浦光源 年 来研究光参量振荡器【】。他们采用的是调掺铒光纤激光器作为泵浦光源, 晶体作为非线性材料,获得了光参量振荡输出。 年,..等人采用功 率为,工作波长为.的连续工作的光纤激光器泵浦晶体,在 的光参量振荡输出】。高功率脉冲型光纤激光器具有更高 波段获得了 的峰值功率,可以使非线性转换效率更高。年,. 等人采用脉冲型光 纤放大器作为泵源,实现了光参量输出,但是受限于光纤激光器工作过程的 非线 性效应影响,最终结果不是很理想,参量输出功率仅有左右【】。 天津大学、南开大学、南京大学、哈尔滨工业大学、中科院物理所等单位在 基于准相位匹配技术的光参量振荡器领域同样做了大量的研究工作。年,采 用准连续泵浦的全固态:激光器泵浦光参量振荡器,天津大学的张百 钢等人获得调谐范围在..内的信号光输出,平均输出功率大于 】.年,采用双振谐振腔结构,中科院物理所的林学春等人,在 .?的闲散光波段获得了的参量输出【】。年,朱江峰等人以钛 宝石激光器作为泵源,采用同步泵浦的方式泵浦光参量振荡器,实现了 输出信号光波长在..、闲散光波长在..范围内的调谐【】。 从年开始,本研究小组开始基于晶体的光参量振荡器研究工作,并 取得了可观的实验及理论结果。 ..基于准相位匹配技术的光参量振荡器发展趋势 全固态、宽调谐范围的光参量振荡器是激光雷达、红外干扰、光电对抗等众浙江人学博学位论义 多领域的重要光源。准相位匹配技术的发展使得光参量振荡器获得了更大的发展 ,目前基于准相位匹配技术的光参量振荡器的发展趋势主要呈现在以下空间 几个 方面: 迸一步提高周期性畴极化反转晶体的制备技术。随着外加电场极化技术 的提高和日渐成熟,以及新型晶体制备工艺的开发和利用,可以获得通光孔径更 大、质量更好的非线性晶体,进一步推动光参量振荡器技术的发展。 扩展输出参量光的调谐范围。宽带可调谐是光参量振荡器的最大特点之 一,通过开发新型的非线性晶体,并利用和频、差频等非线性频率变换和组合调 谐的方式来实现调谐范围向红外和紫外扩展。 进一步提高光学参量振荡器输出参量指标。通过进一步研究,不断提高 调谐范围、输出能量、转换效率等光参量振荡器的重要指标。同时可以利用飞秒 激光器作为泵浦源,同步泵浦或以获得超短脉冲激光输出。利用各种线 宽压缩技术具、光栅、棱镜等,可以获得窄线宽输出。 发展全固化、紧凑型光参量振荡器。利用高功率脉冲光纤激光器泵浦技 术,发展全固化、紧凑型、宽调谐光参量振荡器,使其具有高效率,长寿命、体 积小、重量轻、可高重复频率工作等特点。 .本论文的立题意义及工作目标 高功率脉冲光纤激光器的应用领域从目前最为成熟的光纤通讯领域开始迅 速往其他激光应用领域扩展。例如金属和非金属材料的加工和处理、激光雕刻、 激光产品打标、激光焊接、精密打孔、激光检测和测量、激光图形成像技术、激 光雷达系统、传感技术与空间技术以及激光医疗等等。同时,光纤激光器在国防 军工方面的应用也受到越来越多的重视。光纤激光器在光束质量、光学效率、可 靠性以及体积大小等方面具有明显优势,完全有能力取代传统的固体激光器。因 此,研究高功率脉冲光纤激光器本身具有实际意义,另外,高功率脉冲光纤激光 器可以作为光参量振荡器的优质泵源。本文主要研究的是脉冲光纤激光器以及放 大器技术,采用激光器和放大器两种结构设计方式,希望获得高功率、级脉冲 宽度的激光输出,为后续研究做好准备。 我国早在上个世纪年代就开始研究满足准相位匹配技术要求的非线性晶 体材料,但是目前为止研究水平还与世界先进水平有一定差距。目前市场上可以 第一章绪论 购买的和晶体价格比较昂贵,不适合在实验中大量使用,也不利于 中红外光参量振荡器的发展。中红外光源在激光雷达、光电对抗和红外干扰等许 多领域有重要作用,研究中红外光参量振荡器具有现实意义。考虑晶体 具有较高的抗损伤阈值和较宽的通光范围,本研究小组从年开始制备 晶体,并利用自行制备的晶体进行中红外光参量振荡器研究工作。在初 期研究过程中,使用传统的固体激光器作为泵源,取得了不错的研究成果。但是 要想获得高光束质量的激光输出就越难。而且固体激光器的输出功率越高, 固体 激光器对散热性能要求较高,系统庞大,不利于制作成紧凑的光参量振荡器系统。 高功率光纤激光器在获得高光束质量上有明显优势,同时系统紧凑,对环境变化 不敏感。我们使用自己研制的掺脉冲型光纤激光器,作为主要泵源,泵浦基 于晶体的光参量振荡器,最终完成了高功率、全固态、结构紧凑、体积 小、重量轻的中红外光参量振荡器。 .论文结构 本论文一共分为六章,系统介绍高功率脉冲光纤激光器及其泵浦的中红外光 参量振荡器的研究工作。第一章为绪论,简要介绍了光纤激光器和基于准相位匹 配技术的光参量振荡器的发展概况和国内外研究现状,同时对攻读博士期间所做 工作的立题意义以及工作目标做了说明,介绍了本论文的总体结构安排。第二章 为理论与技术背景介绍,主要介绍了高功率脉冲激光器和放大器的工作原理以及 高功率脉冲激光器的技术难点,同时介绍了准相位匹配技术的理论与技术背景。 第三章至第五章为作者攻读博士学位期间所做的主要研究内容,分别介绍了声光 调脉冲光纤激光器、高功率型脉冲光纤激光器以及光纤激光器泵浦的中 红外光参量振荡器研究工作,对所用的实验装置和实验结果进行了分析和讨论。 第六章为总结部分,对本论文的内容和创新点进行了系统回顾并对现在工作中存 在的问题和今后的工作作了展望。 .本章小结 本章主要对光纤激光器和基于准相位匹配技术的光参量振荡器的发展概况 和国内外研究现状做了介绍,同时给出了本论文的立题意义以及工作目标,并介 绍了本论文的总体结构安排。第一二幸脉冲光纤激光器光参量振荡器的理论技术于景 第二章脉冲光纤激光器与光参量振荡器的理论与技术背景 .高功率掺镱脉冲光纤激光器与放大器 随着高功率半导体激光器泵源的发展以及低损耗石英光纤的发明【】,光纤 激光器技术取得了飞速进步,在许多应用领域已经开始逐步取代传统的固体激光 器。一台普通的脉冲激光器,输出光脉冲宽度是几百微秒甚至毫秒量级,峰值功 率只有几十千瓦级,显然满足不了诸如激光精密测距、激光雷达、高速摄影、高 分辨光谱学等研究的要求。在这些需求的推动之下,人们研究和发展了激光凋 技术? 和锁模技术。几十年来,利用调、锁模等各 。 种方式,光纤激光器的研究领域也从最初的连续型转向脉冲型 高功率脉冲光纤激光器和放大器在光纤通讯、工业、太空技术以及国防应用上的 需求越来越大,已经成为国内外研究的热点。 ..光纤激光器的基本结构 全反镜 激光翰窭 图.最基本的光纤激光器结构示意图 最常见的光纤激光器结构示意图如图.所示。增益介质为一段稀土掺杂的 光纤,其一端抛光为斜面,另一端抛光为平面,利用%的菲涅耳反射和全反镜构 成线性谐振腔结构。双色镜对泵浦光波段镀增透膜,对输出激光波段镀反射膜, 可以将泵浦激光和输出激光有效分开。这种结构产生的是连续型激光输出,要想 获得脉冲激光输出可以通过在谐振腔内增加调制器件的方法,实现调、锁模等 脉冲激光输出。利用光纤型元器件,包括带尾纤的半导体激光器泵源、光纤光栅、 光纤隔离器等等,可以制作全光纤型光纤激光器。 ?一困浙江人学博学位论文 另外一种光纤激光器的形式是主级振荡功率放大器。因为稀土掺杂 的光纤具有较强的增益,可以将功率较小的种子激光经过一级或者多级放大 后获 得高功率输出。光纤放大器的基本结构示意图如图.所示。根据泵浦激光和种 子激光输入端的不同,可以分为同向泵浦或者反向泵浦两种方式,一般来讲,采 用反向泵浦方式可以更好的利用光纤中的增益离子。由于种子激光器的功率较 小,容易获得性能较好的激光输出。通过使用结构的光纤放大器,可以在 获得高功率激光输出的同时,不改变种子激光的优良特性。另外,对种子激光的 调制相对简单,通过调制种子激光的特性,达到对高功率激光的控制作用。在超 短脉冲激光的放大过程中,还可以利用光纤中的非线性效应来改善种子激光的性 能,例如压缩脉冲宽度等。现在这种光纤放大器的结构设计方式是获得高功率单 频或脉冲激光光源的主要手段之一。 .. 离子在玻璃光纤中的基本特性 年,南安普顿大学的..小组】发明了掺铒光纤放大器, 这一发明使光纤通讯真正发展起来。在研究过程中,发现可以实现短脉冲 的放大,从而得到更大的峰值功率。人们在研究的同时,也将目光转向了 掺杂其他稀土离子的光纤放大器,期望得到其他波长的高功率激光输出,包括、 、等。实验发现只有其中很少一部分稀土离子掺杂的光纤适合于高功率下运 行。其中,因为离子的四能级系统结构具有很多优势,人们最初研究的多是 掺光纤放大器。后来,人们发现了掺光纤的很多特性,满足高功率运行的 条件,使高功率掺光纤激光器成为研究热门方向。在本论文中,主要研究的 就是掺光纤激光器和放大器。 离子的能级结构比较简单,主要有两个能级:基 相比于其他的稀土离子, 能级为,具有四个分裂能级,上能级为,,,具有三个分裂能 级】。在不同的玻璃基底里,上能级的量子寿命也不尽相同,典型的为? 【】。石英玻璃是离子的优质基底材料,由于石英玻璃中离子的能级 宽度相比于其他组分的玻璃基底更宽,石英玻璃中掺杂的离子具有更高的吸 收和发射截面】】。由于离子没有更高的能级结构,使得多光子交叉弛 豫效应和受激态吸收效应较小。另外,离子掺杂浓度太高引起的上转换效应 在石 英光纤中也比较小【】,所以这种玻璃基底光纤中的离子可以掺杂到很高浓 度,非常适合于高功率和短腔长设计应用。 第:章脉冲光纤激光器,。光参量振荡器的理论‘技术背景 ?鳓? ’ ,蝴 ? 点 嘞 出 鼍 缘 差耋 一。?一蕊器 ’ 雠 萋耋 图. 离子能级结构图在硅基玻璃中的吸收和发射截面 .所示为离子能级图及其在石英玻璃中的吸收和发射截面【【】。 图 从图中可以看出,离子具有很宽的吸收谱,从 一直延伸到 。对 于不同的基底玻璃材料,的发射和吸收谱线有所不同【】。玻璃中掺杂锗、 铝和硼的比例直接影响离子的吸收截面和上能级的荧光寿命。例 如:掺锗越多,上能级的荧光寿命越短。在纯石英玻璃光纤中,离子的上能级 寿命为.左右。荧光寿命的大小是重复频率为几十左右的系统的 重要参数。因为荧光寿命的大小直接影响到放大自发辐射的大小,例如, 的重复频率,两个脉冲问的时间间隔为“,而激发态的荧光寿命为 量级,说明上能级存储的粒子是不可能被消耗掉的,则现象不会很严重。 ..双包层光纤基本特性与大直径光纤的使用 最早的光纤激光器和放大器使用单模光纤作为增益介质,普通单模光纤的 结构要求泵浦半导体激光器必须是单模输出。典型的单模光纤截面示意图如 图 .所示。光在光纤中传输的过程中被限制于纤芯当中,泵浦光和信号光在纤芯 中模场重合,且在长距离范围内相互作用,使得光纤的增益系数很大。光纤本 身 的特性决定了其输出单模激光。 辑隽睾聃 图.单模光纤端面示意图 浙江人学博:学位论文 然而,单模输出的半导体激光器很难将功率做大,光纤激光器的输出功率受 到了极大限制。 年,. 首先提出了使用包层泵浦技术来提高光纤激 光器输出功率的设想 】。包层泵浦技术不再将泵浦光直接耦合进小的纤芯中, 而是将泵浦光耦合进大尺寸的内包层里面,通过改变内包层的传输特性使泵光经 过纤芯时被增益介质吸收。包层泵浦技术的应用,使得光纤激光器和放大器的泵 源不再局限于单模半导体激光器,但同时能够保证输出激光的光束质量。 图.所示的是双包层光纤的典型截面示意图。光纤最里面是折射率最高的 纤芯部分,外面两个包层的折射率依次减小。纤芯和内包层组成的波导用来传输 信号光,内包层和外包层组成另外的波导形式来传输泵浦激光。因为纤芯在内包 层里面,所以泵浦光在传输的过程中会经过纤芯被稀土离子吸收。产生的激光或 者放大的信号光被限制在纤芯里面,输出的激光模式由纤芯决定。 纡芯 豹 夕、 毒曩嚣:?如 图.双包层光纤端面示意图 增益光纤吸收的泵浦光越多,获得的激光输出功率就会越大。在最初设计的 双包层光纤中,泵浦激光在内包层中传输时,大部分光为弧矢光,不经过纤芯, 只有很少一部分光会经过纤芯,导致泵光吸收很小,输出激光功率不大。这就 需 要改进双包层光纤的结构和材料,使更多的泵浦光可以耦合进光纤并通过纤芯。 同时,增大稀土离子的掺杂浓度,使光纤吸收更大的泵浦功率。 对多模泵浦光的耦合更加有利。内 内包层具有大的值和大的几何尺寸, 包层的数值孔径取决于外包层的折射率,外包层的折射率越小,内包层的数值孔 径就会越大。通常情况下,使用掺氟的石英材料作为外包层可以使值达到., 而使用更低折射率的聚合物作为外包层会使达到.左右。最简单的减少外 包层材料折射率的方法,是在外包层沉积过程中故意引入空气,利用这种方法制 作成的特殊光纤可以提高内包层的人到.。 内包层的形状对于双包层光纤对泵浦光的吸收效率具有非常大的影响。如果 第二章脉冲光纤激光器光参射振荡器的理论’技术背景 双包层光纤设计不好,多模泵浦光中的大部分模式不会经过纤芯。典型的例子就 是最早设计的圆对称结构,这种形式的光纤设计简单,而且易与其他光纤元件连 接。但是这种设计,使得大部分的泵浦光变成了弧矢光,在传输过程当中不经过 掺杂纤芯,泵浦光的吸收系数很低。这个问题的解决方法有很多种,比如将光纤 弯曲【【】,设计偏心光纤或者通过设计特殊内包层形状来去除圆对称性 型、八角型等。图.给出了常见的几种内包层截面形状,这些设计使得双包 层光纤对泵浦激光的利用效率得到了明显提高。 严’:花线 弧父兕线 ◎◎ 图.几种常见的双包层光纤截面图 光纤芯径的大小是另外一个重要参数,提高纤芯的几何尺寸不但可以提高泵 浦光的吸收效率,还可以减小纤芯中的能量密度,有效减少光纤中非线性效应的 ,如受激拉曼散射和受激布理渊散射等。增加光纤纤芯的直 影响 径,需要考虑两个因素【】。首先,要保证光纤的单模特性,必须在增加光纤芯 径的同时,减小纤芯和内包层的折射率差;其次,增加光纤的纤芯直径,将使 光纤的弯曲损耗增大。 单模光纤要求参数必须小于.,/,其中为光纤纤芯的 半径,?%。%砒懈?以为光纤的数值孔径。在提高光纤纤芯半径的同时, 要尽可能减小数值孔径,即减小。在 工作的单模光纤,一般的纤芯 半径为“,为.左右。工艺上的限制,使得纤芯和内包层的折射率差?刀做 不到很小。事实上,一般的大直径光纤的纤芯半径在 一“之间,数值孔 浙江学僻?学位论女 径为.左右。这种光纤在 波长会支持个模式,要获得单模激 光输出,必须使用其他相应的技术手段。目前,普遍采用的技术手段有两种。第 一是在光纤生产过程中,控制纤芯掺杂浓度梯度,使得基模的增益大干高阶模 【】【】;第二种方法是使用光纤弯曲技术,使得高阶模的损耗远大于基模,保 】 。这两种方法可以相互结合,一起使用. 证基模运行 ..光纤激光器的泵浦技术 茂搽 圉.熹验中使用的泵浦澈光器 双包层光纤澈光器的主要泵源是多模半导体激光器.在本论文中,我们使用 如图.所示,一种为公司生产的单管多模 的主要是两种半导体激光器, 半导体激光器,最高输出功率为 ,输出光纤芯径为?,为.;另 外一种是生产的多模半导体激光器阵列,最高输出功率为,输出光纤芯 . 径为?,为 耦台透镜 ::旺: 内包层 图 端面泵浦示意田 在过